彬長礦業口木線35 kV線路雷電過電壓仿真分析

李建偉,劉榮杰,董云飛,崔 榮,張 虎,李 旭

(陜西彬長礦業電力有限公司,陜西 咸陽 713602)

0 引言

煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的化石能源,廣泛應用于鋼鐵、電力、化工等工業生產及居民生活領域[1]。煤炭資源的開采離不開與之相配套的供配電網絡,但供配電網絡分布廣泛,所處地形地貌復雜多變,面臨不同海拔氣候環境特征,極易遭受雷擊危害[2-3]。在實際生活中,為提高供配電網絡的耐雷水平,通常全線架設避雷線[4],但避雷線可能會使引雷作用加強而更易發生雷電反擊事故[2,5]。其次,由于礦區供配電網絡多架設在地勢較高的山區,雷電更易繞過避雷線直擊導線,在線路上產生嚴重的過電壓[6]。羅曉軍[7]分析了雷擊避雷線時桿塔塔頂、導線以及絕緣子串上的過電壓;劉強等[8]以35 kV電纜和架空混連線路為研究對象,利用ATP-EMTP對線路的反擊耐雷水平進行計算分析,為防雷設計提供了依據。劉軍豹等[9]通過ATP-EMTP軟件分析35 kV線路的雷電繞擊特性,給出最優的35 kV變壓器雷電侵入波治理方案。以上研究均說明在目前的山區供配電網絡中,僅架設避雷線已不能完全滿足線路的防雷需求。結合彬長礦業口木線35 kV線路,在ATP-EMTP中搭建仿真模型,對口木線的雷電過電壓及線路避雷器的效果進行研究,為口木線防雷方案的制定提供依據。

1 彬長礦業口木線現狀及雷擊事故

彬長礦區的供電電源均引自彬州、長武地區的電網系統,其中大佛寺煤礦工業場地建有1# 35/10 kV變電站1座,變電站安裝容量為2×20 000 kVA;大佛寺煤礦風井場地建有2# 35/10 kV變電站一座,該變電站安裝容量為2×12 500 kVA。文中所研究的35 kV口木線線路采用電纜與架空線路相結合的單回路架設方式,線路位于山區,共架設34級鐵塔。從110 kV亭口變北側35 kV第一個間隔采用200 m直埋電纜出線,經11.295 km架空線路后接入木盤川35 kV變電站,線路全長11.495 km。亭口變2臺變壓器容量分別為31.5 MVA和50.0 MVA;木盤川35 kV變電站安裝容量為3×12 500 kVA。

2021年9月19日,木盤川35 kV變電站3527口木線開關過流Ⅰ段保護動作跳閘,同時上級變電站3527口木開關過流Ⅱ段保護動作跳閘重合閘成功。后經對3527口木線及變電站設備巡查發現木盤川35 kV變電站側B相避雷器計數器動作,變電站35 kV 2#電壓互感器B相熔斷器故障。2021年10月3日木盤川35 kV變電站3527口木線開關過流Ⅰ段保護動作跳閘,同時上級變電站3527口木開關過流Ⅱ段保護動作跳閘重合閘不成功。對木盤川站3527口木開關柜內過電壓保護器進行試驗檢查時發現過電壓保護器A相、C相被擊穿。上述事故均發生在雷雨天氣,經現場分析,造成事故的原因可能是雷擊線路引起的過電壓。目前該地區配電網架空線防雷方式較為單一,效果不夠理想,因此需對該區域輸電線路的防雷性能進行綜合分析,根據實際情況制定系統性防雷治理方案。

2 口木線雷電過電壓仿真模型的建立

2.1 雷電流及其參數

目前常用的雷電流模型有雙指數模型和Heidler模型[10],其中Heidler模型所表現的雷電流隨時間變化的規律更符合實際規律,因此,選擇Heidler模型作為雷電流模型,其表達式為

(1)

(2)

式中,I0為雷電流幅值;η為電流的修正系數;n為電流陡度因子,取n=2;τ1,τ2分別為電流波形的波頭時間常數和波尾時間常數,分別取值2.6 μs、50 μs。其中雷電通道波阻抗則取為300 Ω。

2.2 架空線路模型及參數

在ATP-EMTP中有線路參數計算程序,該模塊可以根據桿塔的結構和線路幾何參數模擬出集中參數模型、分布參數模型和頻率相關的線路模型。35 kV口木線型號采用LGJ-300/40,線路全長11.295 km,導線內徑和外徑分別為8.16 mm和23.94 mm,直流電阻為0.09614 Ω/km。避雷線選用1根24芯OPGW復合地線,外徑為10.80 mm,直流電阻為1.408 Ω/km,各參數在ATP-EMTP中的設置見表1。

表1 架空線路參數設置

2.3 桿塔模型及參數

35 kV口木線全線采用單回路架設方式,桿塔為35 kV B08系列單回路自立式鐵塔。目前常用的桿塔模型有集中電感模型、單一波阻抗模型以及多波阻抗模型[11]。其中多波阻抗模型根據垂直導體的不同位置處其波阻抗不同的原理將桿塔進行分段處理,模擬結果更為準確。使用多波阻抗模型對桿塔進行建模時,桿塔主體部分的波阻抗ZTk通過下式計算

(3)

式中,rek可通過下式計算

(4)

桿塔橫擔的波阻抗為

(5)

式中,hk為桿塔第k部分橫擔的對地高度;rAk為桿塔第k部分橫擔的等效半徑,橫擔等效半徑rAk可以取與桿塔主體節點連接處橫擔寬度的1/4。

以35B08-Z2型桿塔為例,其多波阻抗模型如圖1所示。

圖1 35B08-Z2型桿塔多波阻抗模型

該線路采用FXBW4-35/100型絕緣子串,沖擊閃絡電壓為230 kV。

3 口木線雷電過電壓計算分析

3.1 反擊過電壓

雷擊塔頂時,雷電流沿著桿塔向下傳播,此時塔頂電位升高,可能使絕緣子串發生閃絡,引起雷電反擊。根據現場勘察,3#、5#、11#、14#、17#、18#、20#、26#、27#、32#以及33#桿塔易遭受雷擊,故在ATP-EMTP中對雷擊此11個桿塔時的雷電過電壓進行仿真計算,仿真模型如圖2所示,各桿塔耐雷水平、雷擊點及相鄰兩級桿塔上的雷電過電壓幅值見表2。

圖2 雷電反擊局部仿真計算模型

表2 雷電反擊過電壓

從計算結果可以看出,雷電反擊時桿塔的耐雷水平各不相同,這是由于各桿塔類型、弧垂高度以及接地電阻不同。以雷電反擊5#桿塔為例,5#桿塔耐雷水平為16 kA,當雷電流幅值為16 kA時,B相絕緣子串閃絡,B相線路雷電過電壓出現最大值483.95 kV,約為正常運行時的14.73倍。其余兩相絕緣子串雖未發生閃絡,但線路上出現了高達224.49 kV的雷電過電壓。

3.2 繞擊過電壓

35 kV口木線雖全線架設避雷線,但其桿塔所處位置較高,雷電易繞開避雷線直擊導線發生繞擊。由于線路兩端變電站配有進線端保護,在此范圍內發生雷擊事故的概率較小,因此以雷電繞擊4#、31#桿塔為例計算線路繞擊過電壓,仿真計算模型如圖3所示,計算結果見表3。

圖3 雷電繞擊局部仿真計算模型

表3 雷電繞擊過電壓

從計算結果可以看出,雷電繞擊時的耐雷水平遠低于反擊時的耐雷水平。以雷電繞擊4#桿塔為例,其耐雷水平僅為2.65 kA。當雷電流幅值為2.65 kA時,線路雷電過電壓最大值為353.84 kV,約為正常運行時的10.77倍。其余兩相絕緣子串未發生閃絡,但線路上仍出現了高達78.08 kV的雷電過電壓。

4 線路避雷器對過電壓抑制效果分析

避雷器是變電站內及輸電線路上最主要的過電壓抑制設備,通常由主要成分為氧化鋅的非線性電阻閥片制成[12],非線性電阻有利于雷電流的釋放,可以達到限制感應過電壓的目的。主要原理為:當電纜線路為正常運行狀態時,非線性電阻呈現高阻值狀態,限制工頻電流的流入;當電纜線路遭受雷電過電壓沖擊時,非線性電阻呈現低阻值狀態,利于雷電流的釋放。

由分析結果可知,無論雷電反擊還是雷電繞擊,都會在線路上產生幅值較高的雷電過電壓,故必須在線路上加裝避雷器。主要分析加裝避雷器對線路雷電過電壓的抑制效果。以雷電反擊5#桿塔和繞擊4#桿塔為例,加裝線路避雷器前后相同雷電流幅值下的線路過電壓計算結果見表4。

表4 加裝避雷器前后線路雷電過電壓

從計算結果可以看出,加裝線路避雷器后,無論是反擊5#桿塔或是繞擊4#桿塔,絕緣子均不再發生閃絡,兩側電壓被鉗制在線路避雷線殘壓以內,耐雷水平得到提高,線路上各點的雷電過電壓都得到了有效抑制。

雷電反擊時,對于相同的雷電流幅值,加裝線路避雷器前后情況下,線路兩端變壓器上的過電壓波形如圖4和圖5所示。可以看出,加裝避雷器后,線路兩端變壓器上的雷電過電壓都得到了有效抑制,其中,線路首端變壓器過電壓由130.27 kV下降為24.88 kV;線路末端變壓器過電壓由125.59 kV下降為58.99 kV。

圖4 首端變壓器波形

圖5 末端變壓器波形

5 結論

(1)未加裝線路避雷器時,雷電反擊和繞擊都在線路上產生幅值較高的雷電過電壓,危害線路的安全正常運行。

(2)加裝線路避雷器后,相同雷電流幅值下,絕緣子串兩側電壓被限制在避雷器殘壓以下,將不再發生閃絡,耐雷水平提高,線路上的雷電過電壓也得到有效抑制。

(3)加裝線路避雷器極大地降低線路首末兩端變壓器上的雷電過電壓,有利于保護變壓器絕緣。